SSR을 사용해 전류나 전압을 안전하고 효율적으로 전환하는 방법

전자 제어 기능이 소비자 가전, 상용, 의료용 및 산업용 응용 분야에 확산됨에 따라 저전압 또는 저전류 회로를 고전압이나 고전류 회로로 전환하는 것에 대한 요구가 늘어나고 있습니다. 전기 기계 계전기(EMR)도 나름의 역할이 있지만 무접점 계전기(SSR)는 작은 크기, 저렴한 비용, 높은 속도, 낮은 전기적 및 가청 잡음, 신뢰성으로 인해 선호되는 경우가 많습니다.

흔하게 사용될 수 있는 반면, SSR을 올바르게 적용하기 위해서는 설계자가 물리적 및 전기적 작동 방식과 특성을 이해해야 합니다. 그래야 올바른 SSR을 응용 제품의 입력, 출력, 부하 및 열 상황에 맞게 주의 깊게 조정하여 성공적인 설계를 완성할 수 있습니다.

이 기사에서는 SSR의 미묘한 차이와 이를 올바르게 적용하는 방법에 관해 설명하고 더 높은 전압과 전류를 전환하는 문제에 대한 최신 SSR 솔루션 일부를 소개합니다.

SSR 기본 사항

SSR은 시장이나 제조업체에 따라 다양한 이름으로 불립니다. 예를 들어, Omron에서는 MOS FET 계전기라 부르는 반면, Toshiba에서는 광 계전기라 부릅니다(표 1).

표 1: 핵심적인 작동 원칙은 동일하지만 제조업체마다 자사 SSR의 고유성을 강조하거나 독점적인 SSR 구현을 강조하는 다양한 제품명을 이용하고 있습니다. (이미지 출처: Omron Corp.)

사용되는 명명 규칙과 상관없이 작동 원칙은 동일하며, 잘 알려져 있고 광범위하게 사용되는 광 커플러(광절연기라고도 불림)의 확장에 해당합니다. 가장 단순한 형태는 입력 측에 LED가 있고 출력 측에 광 트랜지스터가 있으며 밀리미터 단위의 광학 경로로 구분되어 있습니다(그림 1). 전압과 전류 레벨에 따라 광 트랜지스터 대신 감광성 SCR 또는 트라이액이 사용될 수도 있습니다.

그림 1: 광절연기의 물리적 배열은 믿을 수 없을 만큼 단순합니다. LED가 전기 에너지를 광자로 변환하고 이는 광 트랜지스터를 활성화해 낮은 V_BE 강하를 일으키고 광학 경로가 전기적 분리를 보장합니다. (이미지 출처: Technogumbo)

LED가 활성화되어 생성하는 광자가 광 트랜지스터를 활성화하며 이는 다시 전도 모드로 들어가 전류가 부하로 흐르게 합니다. 이를 “켜진” 상태라 부릅니다. LED가 꺼지면 광 트랜지스터가 꺼지거나 비전도성을 띠게 되며 양호한(그러나 완벽하지는 않은) 개방 회로처럼 보이게 됩니다.

LED와 광 트랜지스터 사이의 전기적 분리는 LED/광 트랜지스터 분리와 광학적으로 투명한 절연 장벽으로 인해 일반적으로 수천 볼트 범위입니다. 절연은 전압 항복 파라미터이며 대략 1000메가옴 ~ 1백만 메가옴(종종 “무한” 내성으로 불림)인 입력 대 출력 저항과 다릅니다. 켜짐과 꺼짐 상태 사이를 전환하는 시간은 보통 수 마이크로초로 지정됩니다.

하지만 완전한 SSR은 단순한 LED와 광 트랜지스터 또는 감광성 SCR/트라이액의 조합을 넘어섭니다. 여기에는 입력 LED 측과 출력 감광성 측 모두에 추가적인 회로망과 기능도 필요합니다(그림 2).

그림 2: 완전한 SSR에는 입력 LED 측과 출력 감광성 측 모두에 추가적인 회로망과 기능이 필요합니다. (이미지 출처: Omron Corp.)

SSR은 비교적 단순한 장치이지만 설계 중 절연된 부하의 입력과 크기 및 유형과 관련해 고려해야 할 사항이 있으며 사용 시 고려해야 할 특수한 상황도 있습니다.

SSR을 선택할 때, 설계자는 입력 구동 레벨 및 유형(AC 또는 DC)은 물론 최대 전류, 최대 전압, 유형(역시 AC 또는 DC)을 포함한 부하 특성에 대해 알아야 합니다. 더 낮은 전압 입력이 점점 더 흔해지고 있으며 안전 및 효율성 면에서 첨단 전자기기와 더 잘 호환되지만 SSR은 몇 볼트에서 수십 볼트 및 더 높은 전압까지 어디서나 구동할 수 있습니다.

입력 구동기가 DC인 경우 SSR 입력 LED를 직접 구동할 수도 있습니다. AC라면 설계자가 SSR 앞에 브리지 정류기를 추가해야 합니다. 아니면 장치에 브리지를 미리 내장하여 동일한 SSR을 사용할 수 있습니다. 내부 정류 옵션은 완벽하게 작동 가능한 입력/출력 성능을 제공하면서 미묘한 레이아웃 문제를 처리할 필요가 없으므로 현명한 선택이 됩니다. SSR의 일반적인 입력 감도는 약 6mW 범위입니다.

부하의 본질에 따라 SSR의 출력 측은 입력보다 어딘가 더 복잡합니다. SSR의 출력이 트랜지스터, FET 또는 단일 SCR이라면 한 방향으로만 전도될 수 있습니다. 따라서 DC 부하에만 사용할 수 있으며 그 예로는 비선형 구동 히터가 포함됩니다. AC 부하의 경우 트라이액 또는 SCR 페어링이 사용됩니다. 벤더는 대개 DC 전용이나 AC 출력의 유사 SSR을 제공합니다. 일반적으로 AC 출력 SSR도 DC에 사용할 수 있습니다. 출력 정격은 몇 볼트 또는 암페어부터 수천 볼트 또는 암페어까지 광범위합니다.

SSR 옵션: NO/NC 접점 및 다중극

표준 SSR은 상시 개방(NO) 단일 출력 배열입니다. 하지만 반대로 전력이 입력 단계에 적용되면 출력 단계가 열리는 상시 폐쇄(NC) 구성이 필요한 응용 분야가 많습니다. 또한 NO 및 NC 동작이 동시에 필요한 설계또 있고 하나는 NO, 하나는 NC 및 몇 가지 다른 접점 극 조합이 필요한 설계도 있습니다.

다중극은 물론 NO 및 NC 접점 요구 사항을 충족하기 위해 사용자는 맞춤형 출력 회로망을 추가할 수 있지만 이 접근 방식에는 최소 4가지 문제점이 있습니다. 먼저 주로 고전압 및/또는 고전류 시나리오이므로 설계에 내재된 문제점이 많습니다. 두 번째로 다양한 안전 규제 표준을 충족하고 승인을 받아야 합니다. 세 번째로 이는 프로젝트에서 진행해야 할 또 다른 일입니다. 네 번째로 결과 성과를 검증하기가 복잡합니다.

또한 사용자는 NO SSR이 신호가 없을 때 닫히고 입력 신호가 적용되면 열리도록 작은 회로를 통해 입력 신호를 뒤집을 수 있습니다. 하지만 그럴 경우 입력 측 전력 공급에 문제가 있을 때 계전기 출력이 “기본” NO 상태로 되돌아가므로 SSR의 출력 상태와 관련해 잠재적인 안전 문제가 제기됩니다. SSR의 입력 전력과 출력 전력 공급은 절연의 정의와 별개라는 점을 기억하세요. 따라서 설계자는 알려진 고장 시 안전 출력 모드를 보장할 수 없을 수도 있습니다.

단극 이상이 필요한 상황에서 다중 SSR은 직렬 또는 병렬로 구동될 수 있습니다. 실행 가능한 솔루션이지만 필요한 구동 전류와 전압은 물론, 직렬 또는 병렬 토폴로지의 장치가 고장 날 경우의 결과까지 신중하게 고려해야 합니다. 여러 SSR을 사용하면 BOM에 추가되며 더 많은 기판 공간을 사용하게 됩니다.

이러한 NO/NC 및 다중극 요구 사항을 인식하는 벤더는 SSR에 추가 회로망을 추가해 종합적인 테스트 및 인증으로 다양한 출력 방식을 제공합니다. 이러한 SSR 중 다수는 선택과 사용을 단순화하는 출력 구성의 구체적 사항을 제외한 유사한 사양의 제품군을 통해 사용할 수 있습니다.

예를 들어, IXYS Integrated Circuits Division은 거의 동일한 성능과 3,750V_RMS 입력/출력 절연을 제공하나 출력 구조가 다른 3가지 SSR을 제공합니다.

LAA110에는 각각 350V/120mA(AC 또는 DC)의 정격을 갖춘 단극 두 개와 NO(1 유형 A) 계전기가 탑재되어 있으며 8핀 DIP, SMT 및 플랫 팩 하우징으로 사용할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: IXYS의 LAA110은 독립적 입력 두 개와 각각의 NO 출력이 있는 기본 2채널 SSR입니다. (이미지 출처: IXYS)

LCC110에는 LAA110과 동일한 정격 및 패키지의 단일 입력으로 구동되는 NO/NC 접점 쌍(1 유형 C) 한 개가 포함되어 있습니다(그림 4).

그림 4: IXYS의 LCC110은 NO 한 개 및 NC 출력 극 한 개를 제어하는 단일 입력이 있는 기본 2채널 SSR입니다. (이미지 출처: IXYS)

LBA110은 전체적인 정격과 패키지 옵션이 동일한 단극 상시 개방(1 유형 A) 계전기와 단극 상시 폐쇄(1 유형 B) 계전기 등 독립적 계전기 두 개로 구성됩니다(그림 5).

그림 5: 이 제품군에 속한 또 다른 제품은 IXYS의 LBA110으로, NO 및 NC 출력 극에 대해 별도 입력이 있는 2채널 SSR입니다. (이미지 출처: IXYS)

가장 높은 전력의 SSR 제품군에서도 동일한 옵션 세트를 사용할 수 있습니다. 단일 저전류 SSR의 전류 정격이 적합하지 않다면 단순히 여러 SSR을 병렬로 연결하여 필요한 정격을 달성하면 된다는 생각이 들 수도 있습니다. 하지만 이는 일반적으로 몇 가지 이유로 인해 좋은 엔지니어링 습관이 아닙니다.

먼저 동일한 공칭 정격의 SSR이더라도 완전히 일치하지는 않습니다. 따라서 하나의 SSR이 다른 하나보다 더 높은 전류를 감당하게 되어 제한된 수치를 넘는 전류 및 열을 부담하면서 조기에 고장 나는 문제가 발생할 수 있습니다. 또한 여러 SSR 중 하나가 어떤 이유로든 고장 나면 다른 하나가 과도한 전류를 감당하게 되면서 곧 연속으로 고장 나게 됩니다. 이러한 이유로 인해 적절한 출력 정격의 단일 SSR을 선택하는 것이 좋습니다.

SSR 보호 및 제한

SSR은 상당히 견고하지만 추가적인 보호가 필요한 상황이 있습니다. 백열 전구의 히터처럼 저항(비유도) AC 부하를 전환하는 SSR의 경우 입력 제어 신호 타이밍과 관계없이 동기식 SSR이 AC 라인의 제로 크로싱에서만 출력 켜짐/꺼짐을 전환하도록 지정해야 할 수도 있습니다(그림 6).

그림 6: 동기식 SSR은 AC 라인의 제로 크로싱에서만 출력을 전환해 EMI 생성을 최소화하도록 설계되었습니다(a) 저항 부하를 위한 비동기식 SSR 파형, b) 저항 부하를 위한 동기식 SSR 파형). (이미지 출처: Crydom, Omega Engineering을 통함)

제로 크로싱에서만 전환하면 주기 중간에서 AC 출력 파형을 시작 또는 중단하면서 발생하는 라인과 방사 소음이 최소화되거나 제거됩니다. 하지만 설계자는 유도 부하가 높을 경우 제로 크로싱 SSR을 끌 수 없게 될 수 있다는 점을 인지해야 합니다. 이를 고려하여 SSR 벤더에서는 입력 전이에서 요청하는 순간 켜지거나 꺼지는 소위 무작위 전환 SSR도 제공합니다. 다시 한번 말하지만 설계자는 부하를 이해한 후에 벤더 카탈로그에서 적합한 SSR을 선택해야 합니다.

SSR을 사용할 때는 내부 손실로 인한 열에 관해서도 고려해야 합니다. 출력이 켜져 있는 경우 활성 소자 전반에 걸쳐 작지만 중대한 강하가 발생합니다(예: 모터를 구동하는 MOSFET에 발생하는 강하). 그 결과로 발생한 열은 SSR에 의해 발산되어야 합니다. 따라서 벤더는 열 부하 경감 곡선과 함께 최대 부하에서 허용 가능한 작동 온도를 정의하는 사양의 SSR을 제공합니다. SSR의 열 환경은 표준 도구를 이용해 모델링할 수 있습니다. 더 높은 열을 생성하는 대형 SSR일수록 더 복잡한 방열 방식이 필요할 수 있는 반면, 소형 SSR은 표준 IC 방열판을 사용할 수 있는 경우가 많습니다.

열 발산 요구 사항이 더 높은 대량 부하용 SSR은 점점 더 큰 크기의 구성으로 제작되고 있습니다. SSR은 소량 부하를 위한 6리드 SOIC부터 대량 부하를 위한 대형 모듈은 물론 패널 실장, 레일 실장 또는 독립형으로 장착할 수 있는 패키지까지 아우르는 다양한 하우징으로 제공됩니다.

예를 들어 SPST-NO(1-Form-A) 장치인 Vishay의 LH1510 SSR은 200mA에서 200V로 작동하며 표준 6리드 SMT 또는 DIP 패키지로 하우징됩니다(그림 7). AC 또는 DC 부하와 함께 사용할 수 있습니다(그림 8). 초소형임에도 이 SSR은 5300V_RMS 연속 및 8000V_RMS 과도 피크 분리 정격을 제공합니다.

그림 7: Vishay의 저전력 LH1510 SSR은 정격 200mA에서 200V인 SPST-NO 장치이며 6리드 표면 실장 패키지 및 DIP 하우징으로 제공될 수 있습니다. (이미지 출처: Vishay Semiconductors)

그림 8: 사용 가능한 패키지 리드 수로 인해 LH1510은 각 모드의 사양만 약간 다른 AC/DC 출력 또는 DC 전용 출력 요구 사항으로 구성될 수 있습니다. (이미지 출처: Vishay Semiconductors)

이와 대조적으로 Crydom/Sensata Technologies의 AC 출력 패널 실장 SSR의 EL240A 계열은 5ADC, 12ADC 및 24ADC 제어 입력 옵션으로 24VAC ~ 280VAC에서 5A, 10A, 20A 및 30A의 출력 정격을 지원합니다. 이 정도의 전력에서 SSR은 빠른 연결 단자가 달린 36.6mm × 21.1mm × 14.3mm 크기의 대형 모듈로 제공됩니다(그림 9). 이 대형 모듈은 3,750V_RMS 분리 정격으로, Vishay의 훨씬 작은 6핀 패키지보다 약간 작기 때문에 전체적인 물리적 크기가 분리 성능을 나타내는 것은 아닙니다.

그림 9: Crydom/Sensata Technologies의 SSR EL240A 계열은 최대 30A의 전류와 최대 24VDC의 제어 입력을 지원합니다. (이미지 출처: Crydom/Sensata Technologies)

EL240A 계열의 부하는 설계 유연성을 제공하는 출력 레그 중 하나에 연결할 수 있습니다(그림 10). 이러한 모듈의 큰 크기 덕분에 벤더는 SSR 입력 상태를 빠르게 시각적으로 평가할 LED 표시등(그림 10에서도 볼 수 있음)을 추가할 수 있습니다.

그림 10: 부하는 EL240A 계열 중 하나의 출력 레그에 연결되어 더욱 향상된 설계 유연성을 제공할 수 있습니다. (이미지 출처: Crydom/Sensata Technologies)

SSR 외부도 살펴보기

대부분의 전력 관련 장치에서 그렇듯이 외부 최대 전력, 전압, 전류 및 열 방출 외의 문제가 있습니다. SSR의 물리적 배선, 버스 바 또는 인쇄 회로 기판 트레이스는 과도한 IR 강하 없이 부하 전류를 운반할 수 있는 크기여야 합니다. 마찬가지로 SSR에 대한 연결의 경우 별도의 전선, 소켓 또는 PC 기판 납땜 중 무엇을 통해서든지 모두 적절한 크기와 정격으로 조정되어야 합니다.

SSR은 저전류 레벨에서 더 높은 전압으로 전환될 수도 있습니다. 이 상황에서 우려되는 사항은 최소 의무 공간거리와 연면거리 대 전압을 비롯한 사용자 안전입니다(그림 11). 이 요구 사항은 수많은 표준 중에 IEC/UL 60950-1, IEC 60601-1, EN 60664-1:2007 및 VDE 0110-1에 의해 정의됩니다.

그림 11: 공간거리(상단)는 공중에서 측정한 두 전도 부품 사이나 전도 부품과 장비의 결합 표면 사이의 최단 경로입니다. 연면거리(하단)는 둘 사이의 절연 표면을 따라 측정한 두 전도 부품의 사이나 전도 부품과 장비의 결합 표면 사이의 최단 경로입니다. (이미지 출처: Optimum Design)

공간거리는 공중에서 측정한 두 전도 부품 사이나 전도 부품과 장비의 결합 표면 사이의 최단 경로로 정의됩니다. 연면거리는 둘 사이의 절연 표면을 따라 측정한 두 전도 부품의 사이나 전도 부품과 장비의 결합 표면 사이의 최단 경로로 정의됩니다. 이러한 두 파라미터의 요구 사항을 준수하면 플래시오버, 스파크, 고전압에 사용자가 노출되지 않게 보장할 수 있습니다.

SSR 자체가 수천 볼트의 분리를 제공하도록 고안되었지만 SSR에 대한 모든 연결은 사용 중인 전압을 인증받기 위해 필요 거리를 유지해야 합니다.

또한 SSR은 외부적인 보호가 필요할 수도 있습니다. AC 부하 SSR은 자체 또는 근처의 유도 부하가 꺼진 경우 고전압 스파이크가 발생해 SSR 출력 구조를 손상할 수 있습니다. 가장 일반적인 솔루션은 전압이 고정됨에 따라 SSR의 부하 단자 전반에 금속 산화물 배리스터(MOV) 또는 과도 전압 억제기(TVS) 같은 하나 이상의 보호 요소를 배치하는 것입니다(그림 12).

그림 12: SSR의 출력에는 유도 부하의 전환으로 생성된 전압 스파이크를 방지할 외부적인 보호가 필요할 수 있습니다. 이 보호는 MOV 또는 TVS를 통해 제공할 수 있습니다. (이미지 출처: Phidgets, Inc.)

이러한 장치의 크기를 조정하는 데에는 부하의 v = L(di/dt) 규모 분석이 필요합니다. MOV 전압 정격이 너무 높다면 낮은 값의 스파이크로부터 보호되지 않아 계속 손상이 발생할 수 있습니다. 반대로, 너무 낮다면 빈번하게 “트리거”되고 반복적인 과전압 스파이크로 인해 MOV가 열화되고 마모됩니다.

또는 트라이액이나 사이리스터 출력이 있는 AC SSR을 사용해 유도 부하를 켜짐/꺼짐으로 전환하면 dv/dt 과도 전압을 일으켜 결과적으로 잘못된 SSR 켜짐이 발생할 수 있습니다. 전압 스파이크가 di/dt에 의해 유도되어 이 잘못된 점화가 SSR을 손상하지는 않았지만 여전히 명백한 문제입니다. 이러한 현상을 방지하기 위해 트라이액에서 보이는 전압 급증을 억제할 RC 스너버 회로도 추가되었습니다(그림 13).

그림 13: SSR 출력의 RC 스너버는 유도 부하로 인한 잘못된 켜짐을 예방합니다. (이미지 출처: Omron Corp.)

DC SSR의 상황은 유사하지만 좀 더 단순합니다. 부하가 유도성인 경우 꺼졌을 때 생성되는 전류 스파이크가 현재 개방된 SSR 출력을 손상할 수 있습니다. 표준 솔루션은 다이오드를 양극 단자의 음극과 연결해 SSR 주변에 전류 경로를 제공하여 흐름 및 발산을 유도하는 것입니다(EMR 코일 및 솔레노이드에 동일한 기술이 사용됨).

결론

무접점 계전기는 제어와 부하 사이에서 전기적 분리를 제공하면서 AC 부하와 DC 부하의 켜짐/꺼짐을 전환하는 대단히 유용하고 강력한 부품입니다. 본질적으로 견고하고 적용하기 간편하지만 설계자는 적합한 SSR을 선택하고 이를 이용해 성능 지원 능력을 안정적으로 실현할 수 있도록 입력, 출력, 부하, 열 상황을 신중하게 평가해야 합니다.